JP4622112B2

JP4622112B2 - ピエゾアクチュエータ駆動回路および燃料噴射装置

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Publication number: JP4622112B2
Application number: JP2001035088A
Authority: JP
Inventors: 彰河端
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2001-02-13
Filing date: 2001-02-13
Publication date: 2011-02-02
Anticipated expiration: 2021-02-13
Also published as: JP2002246668A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はピエゾアクチュエータ駆動回路および燃料噴射装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ピエゾアクチュエータは、ＰＺＴ等の圧電材料の圧電作用を利用したもので、容量性素子であるピエゾスタックが充放電により伸長または縮小してピストン等を直線動する。例えば、内燃機関の燃料噴射装置において、燃料噴射用のインジェクタの開閉弁の切り換えをピエゾアクチュエータにより行うものが知られており、このものでは、開閉弁の切り換えを行う弁体に対する駆動力や弁体のリフト量がピエゾスタックの充電量で設定されることになる。ピエゾスタックの充電と放電を切り換える回路構成としては多重スイッチング方式が知られている。これは給電源からインダクタを介してピエゾスタックに充電する第１の通電経路が形成されるとともに、給電源をダイオードによりバイパスする第２の通電経路が形成されており、オンオフするスイッチング素子のオン期間には第１の通電経路により漸増する充電電流を流し、スイッチング素子のオフ期間にはインダクタに蓄積されたエネルギーを消費しながら第２の通電経路により漸減する充電電流を流す。スイッチング素子がオンオフを繰り返していくとピエゾスタックが充電されていくものである。
【０００３】
ピエゾスタックの充電には一時に多量の電気エネルギーをピエゾスタックに投入する必要があり、また、充電により得られるピエゾスタックの両端間電圧はバッテリ電圧よりも相当高い電圧であることから、ピエゾスタックの充電に先立ってバッファコンデンサにバッテリ等からＤＣ−ＤＣコンバータを介して電気エネルギーを蓄えておくようになっている。
【０００４】
図６はバッファコンデンサに用いられるコンデンサの構造の一例を示すもので、フィルムコンデンサの一態様である。フィルムコンデンサは、電極層９１と絶縁層９２とを交互に積層したものをロール巻き状に巻き回してなり、電極層９１に金属箔が用いられ、絶縁層９２にプラスティックフィルムが用いられる。
【０００５】
また、図７はバッファコンデンサに用いられるコンデンサの構造の他の例を示すもので、アルミニウム電解コンデンサの一態様である。アルミニウム電解コンデンサは、陽極９３、電解紙９４、陰極９５、電解紙９６がこの順に積層している。陽極９３、陰極９５はともにアルミニウム箔が用いられるが、陽極９３の表面は図８に示すように酸化皮膜９３１が形成されて、絶縁層をつくっている。電解紙９４，９６は紙に電解液を染み込ませたもので、実質的な陰極である。前記のごとく絶縁層が酸化皮膜９３１であることから絶縁層はごく薄く、また、このためアルミニウム箔の表面にエッチングを施して凹凸９３ａを形成しても、その凹凸形状に酸化皮膜９３１がよく追随し、大きな表面積が得られる。これにより、サイズをそのままに大容量化を図ることが可能である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、近年、ピエゾアクチュエータ駆動回路を含めた種々の電子装置は実装密度が高くなっており、電子部品は小さいのが望ましい。
【０００７】
また、近年、エンジンの燃料噴射装置において、理想的な噴射率を得るべく、また触媒装置の活性化を図るべく、１回の燃焼サイクルにおいてインジェクタの開弁と閉弁とを１回だけではなく複数回行う複数段噴射が行われており、この場合、インジェクタに搭載されたピエゾアクチュエータのピエゾスタックの充電および放電回数が増え、バッファコンデンサは、多量の電気エネルギーを蓄えておく必要から大容量のものが必要になる。
【０００８】
そうすると、前記バッファコンデンサとしてフィルムコンデンサよりもアルミニウム電解コンデンサの方がよいことになる。
【０００９】
しかしながら、アルミニウム電解コンデンサはフィルムコンデンサよりも損失角が大きい。これは、リップル電流による発熱を生じやすく、また、このため電解液の損耗を引き起こす。特に充電電流がピーク値をとりながら漸増と漸減を繰り返す前記多重スイッチング方式の回路構成の場合や、充電および放電回数の多い燃料噴射装置の場合、バッファコンデンサが早期に劣化し、寿命の点で必ずしも適当ではない。
【００１０】
本発明は前記実情に鑑みなされたもので、大型化することなく、バッファコンデンサを長寿命で使用することのできるピエゾアクチュエータ駆動回路および燃料噴射装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明では、ピエゾスタックの充電に先立って充電されてピエゾスタックの充電用の電気エネルギーを一時、保持するバッファコンデンサを有し、該バッファコンデンサから充電用の回路を介してピエゾスタックに充電するピエゾアクチュエータ駆動回路において、
フィルムコンデンサで構成された第１のバッファコンデンサと、
アルミニウム電解コンデンサで構成された第２のバッファコンデンサと、
充電用回路の給電元を前記バッファコンデンサから選択する選択手段とを具備する構成とする。
【００１２】
充電用回路の給電元としての前記バッファコンデンサを選択することができるので、寿命の短いアルミニウム電解コンデンサで構成された第２のバッファコンデンサを、第１のバッファコンデンサだけでは給電量が間に合わない場合等、限定的に用いることができる。また、バッファコンデンサとして必要な容量のうち一部を体格の点で有利なアルミニウム電解コンデンサにより賄うので、その分、バッファコンデンサの占める体積を減じることができる。したがって、アルミニウム電解コンデンサによる体格の抑制と、早期劣化の回避とを両立することができる。
【００１９】
さらに請求項１の発明の構成において、前記選択手段を、
前記第１、第２のバッファコンデンサを並列に接続する接続線路と、
該接続線路に設けられたダイオードとで構成し、
該ダイオードの向きを、第２のバッファコンデンサの両端間電圧が順バイアスとなるように設定し、
かつ、１回の充電で保持されるバッファコンデンサの電気エネルギーを、第１のバッファコンデンサの両端間電圧が第２のバッファコンデンサの両端間電圧よりも高くなるように設定する。
【００２０】
フィルムコンデンサで構成された第１のバッファコンデンサの残量が減ってその両端間電圧が低下すると、アルミニウム電解コンデンサで構成された第２のバッファコンデンサから、ピエゾスタックの充電のために給電がなされる。第１のバッファコンデンサの残量が減じられなければ第２のバッファコンデンサから給電されないので、アルミニウム電解コンデンサを用いる場合を限定することができる。また、給電元の切り換えがダイオードのみで行い得るから構成を簡略化できる。
【００２１】
請求項２記載の発明では、燃料噴射装置を、ピエゾアクチュエータにより開閉して燃料の噴射と停止とが切り換わるインジェクタと、前記ピエゾアクチュエータを駆動する請求項１ないし５いずれか記載のピエゾアクチュエータ駆動回路とを具備する構成とする。
【００２２】
燃料の噴射を何度も繰り返す燃料噴射装置に適用して特に好適である。
【００２３】
【発明の実施の形態】
（第１参考形態）
図２に本発明を適用可能なディーゼルエンジンのコモンレール式の燃料噴射装置の構成を示す。ディーゼルエンジンの気筒数分のインジェクタ１が各気筒に対応して設けられ（図例ではインジェクタ１は１つのみ図示）、供給ライン５５を介して連通する共通のコモンレール５４から燃料の供給を受け、インジェクタ１から各気筒の燃焼室内に略コモンレール５４内の燃料圧力（以下、コモンレール圧力という）に等しい噴射圧力で燃料を噴射するようになっている。コモンレール５４には燃料タンク５１の燃料が高圧サプライポンプ５３により圧送されて高圧で蓄えられる。
【００２４】
また、コモンレール５４からインジェクタ１に供給された燃料は、上記燃焼室への噴射用の他、インジェクタ１の制御油圧等としても用いられ、インジェクタ１から低圧のドレーンライン５６を経て燃料タンク５１に還流するようになっている。
【００２５】
ＣＰＵ３１は、燃料噴射を含むエンジンの全体の制御を司るもので、ピエゾアクチュエータ駆動回路本体２０とともに、各インジェクタ１に搭載されたピエゾアクチュエータを駆動するピエゾアクチュエータ駆動回路２を構成する。ＣＰＵ３１はクランク角度等の検出信号に基づいて指令である噴射指令を生成する。噴射指令は、１段噴射、２段噴射、３段噴射、４段噴射、５段噴射の噴射モード、燃料の噴射時期と噴射量とを内容として含んでいる。そして、この噴射指令に基づいて詳しくは後述する噴射信号をピエゾアクチュエータ駆動回路本体２０に出力する。
【００２６】
また、ＣＰＵ３１は他のセンサ類により知られる運転条件に応じた適正な噴射圧となるように燃料噴射装置各部を制御する。かかるセンサ類としてコモンレール５４に圧力センサ３２が設けられており、ＣＰＵ３１はコモンレール圧力に基づいて調量弁５２を制御してコモンレール５４への燃料の圧送量を調整する。
【００２７】
図１に本発明の第１参考形態となるピエゾアクチュエータ駆動回路２の構成を示す。ピエゾアクチュエータ駆動回路２が駆動するピエゾスタック１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄは、各気筒にそれぞれ搭載されたインジェクタ１に１対１に対応している。本ピエゾアクチュエータ駆動回路本体２０は、２系統の直流電源２１ａ，２１ｂと、直流電源２１ａ，２１ｂからピエゾスタック１１Ａ〜１１Ｄにインダクタ２３を介して通電する第１の通電経路２２ａ，２２ｂとが設けてある。
【００２８】
第１の直流電源２１ａは車載バッテリの給電（＋Ｂ）で数十〜数百Ｖの直流電圧を発生するＤＣ−ＤＣコンバータ２１１ａ、およびその出力端に並列に接続されたバッファコンデンサ２１２ａによりなり、第２の直流電源２１ｂも車載バッテリの給電（＋Ｂ）で作動するＤＣ−ＤＣコンバータ２１１ｂ、およびその出力端に並列に接続されたバッファコンデンサ２１２ｂによりなる。
【００２９】
ＤＣ−ＤＣコンバータ２１１ａは一般的な昇圧チョッパ型の回路で、スイッチング素子２１１２ａのオン時にインダクタ２１１１ａにエネルギーを蓄積し、スイッチング素子２１１２ａのオフ時に逆起電力を発生するインダクタ２１１１ａからダイオード２１１３ａを介してバッファコンデンサ２１２ａに充電されるようになっている。ＤＣ−ＤＣコンバータ２１１ｂも同等の回路構成であり、スイッチング素子２１１２ｂ、インダクタ２１１１ｂおよびダイオード２１１３ｂからなる昇圧チョッパ型の回路である。
【００３０】
第１のバッファコンデンサ２１２ａはフィルムコンデンサからなり、第２のバッファコンデンサ２１２ｂは湿式のアルミニウム電解コンデンサからなる。
【００３１】
第１の通電経路２２ａは、第１のバッファコンデンサ２１２ａからピエゾスタック１１Ａ〜１１Ｄに通電を行うためのものであり、一方、第２の通電経路２２ｂは、第２のバッファコンデンサ２１２ｂからピエゾスタック１１Ａ〜１１Ｄに通電を行うためのものであり、次のようにバッファコンデンサ２１２ａ，２１２ｂのいずれかを給電元とすることができる。第１の通電経路２２ａには、バッファコンデンサ２１２ａとインダクタ２３間にこれらと直列に第１のスイッチング素子２４ａが介設されている。また、第２の通電経路２２ｂには、バッファコンデンサ２１２ｂとインダクタ２３間にこれらと直列に第２のスイッチング素子２４ｂが介設されている。これらスイッチング素子２４ａ，２４ｂはＭＯＳＦＥＴで構成され、その寄生ダイオード（以下、第１の寄生ダイオードという）２４１ａ，２４１ｂが、これと接続されたバッファコンデンサ２１２ａ，２１２ｂの両端間電圧に対して逆バイアスとなるように接続される。
【００３２】
また、インダクタ２３とピエゾスタック１１Ａ〜１１Ｄは第３の通電経路２２ｃを形成している。この通電経路２２ｃは、バッファコンデンサ２１２ａ，２１２ｂおよびスイチング素子２４ａ，２４ｂをバイパスするもので、インダクタ２３とスイッチング素子２４ａ，２４ｂの接続中点に接続される第３のスイッチング素子２４ｃを有しており、インダクタ２３、ピエゾスタック１１Ａ〜１１Ｄおよび第３のスイッチング素子２４ｃを含む閉回路を形成している。第３のスイッチング素子２４ｃもＭＯＳＦＥＴで構成され、その寄生ダイオード（以下、第３の寄生ダイオードという）２４１ｃがバッファコンデンサ２１２ａ，２１２ｂの両端間電圧に対して逆バイアスとなるように接続される。
【００３３】
通電経路２２ａ，２２ｂはピエゾスタック１１Ａ〜１１Ｄのそれぞれに共通であり、また、次のように通電対象としてのピエゾスタック１１Ａ〜１１Ｄが選択できる。ピエゾスタック１１Ａ〜１１Ｄのそれぞれには直列にスイッチング素子（以下、適宜、選択スイッチング素子という）２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｃ，２５Ｄ，２５Ｅ，２５Ｆが接続されており、このうち第１の種類の選択スイッチング素子２５Ａ〜２５Ｄはそれぞれピエゾスタック１１Ａ〜１１Ｄと１対１に対応して接続されて、噴射気筒のインジェクタ１のピエゾスタック１１Ａ〜１１Ｄに対応する選択スイッチング素子２５Ａ〜２５Ｄがオンされる。
【００３４】
また、第２の種類の選択スイッチング素子２５Ｅ，２５Ｆは選択スイッチング素子２５Ｅがピエゾスタック１１Ａとピエゾスタック１１Ｂとに共通に、また、選択スイッチング素子２５Ｆがピエゾスタック１１Ｃとピエゾスタック１１Ｄとに共通に接続される。第２の種類の選択スイッチング素子２５Ｅ，２５Ｆは、ピエゾスタック１１Ａ〜１１Ｄのいずれかにおいて選択スイッチング素子２５Ａ〜２５Ｄにより制御不能な状態、例えば、ピエゾスタック１１Ａ〜１１Ｄとピエゾアクチュエータ駆動回路２とを結ぶケーブルのいずれかにグランドショートが出来して常時、通電対象として選択されたのと同じ状態に陥っても、当該ケーブルと接続されて対をなすピエゾスタック１１Ａ，１１Ｂまたはピエゾスタック１１Ｃ，１１Ｄをピエゾアクチュエータ駆動回路２から切り離して残りの２つのピエゾスタック１１Ｃ，１１Ｄまたはピエゾスタック１１Ａ，１１Ｂの作動を確保するためのものである（リンプフォーム）。
【００３５】
各選択スイッチング素子２５Ａ〜２５ＦはＭＯＳＦＥＴが用いられており、その寄生ダイオード（以下、選択寄生ダイオードという）２５１Ａ，２５１Ｂ，２５１Ｃ，２５１Ｄ，２５１Ｅ，２５１Ｆは、バッファコンデンサ２１２ａ，２１２ｂに対して逆バイアスとなるように接続されている。
【００３６】
スイッチング素子２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２５Ａ〜２５Ｆの各ゲートにはコントローラ２９からそれぞれ制御信号が入力しており、前記のごとく選択スイッチング素子２５Ａ〜２５Ｄのいずれかをオンして駆動対象のピエゾスタック１１Ａ〜１１Ｄが選択されるとともに、スイッチング素子２４ａ，２４ｂのゲートにはパルス状の制御信号が入力してスイッチング素子２４ａ，２４ｂをオンオフし、ピエゾスタック１１Ａ〜１１Ｄの充電制御を行うようになっている。また、ピエゾスタック１１Ａ〜１１Ｄの放電制御はスイッチング素子２４ｃのゲートにパルス状の制御信号が入力してスイッチング素子２４ｃをオンオフすることにより行う。
【００３７】
また、ピエゾスタック１１Ａとピエゾスタック１１Ｂとに共通に直列に比較的低抵抗の抵抗器２７Ｅが、ピエゾスタック１１Ｃとピエゾスタック１１Ｄとに共通に直列に前記抵抗器２７Ｅと同じ抵抗器２７Ｆが設けてある。その両端間電圧はコントローラ２９に入力し、ピエゾスタック１１Ａ〜１１Ｄの充電電流が検出されるようになっている。
【００３８】
また、第２のスイッチング素子２４ｃには直列に比較的低抵抗の抵抗器２８が設けてある。その両端間電圧はコントローラ２９に入力し、ピエゾスタック１１Ａ〜１１Ｄの放電電流が検出されるようになっている。
【００３９】
また、コントローラ２９には、目標充電量に達したか否かをモニタするため、充電量としての各ピエゾスタック１１Ａ〜１１Ｄの両端端電圧（以下、ピエゾスタック電圧という）が入力している。
【００４０】
コントローラ２９は、充電制御時には、第１、第２のスイッチング素子２４ａ，２４ｂのオン期間とオフ期間とを次のように設定し、スイッチング素子２４ａ，２４ｂの制御信号を出力する。第１のバッファコンデンサ２１２ａを給電元とする場合には、第１のスイッチング素子２４ａをオンしてバッファコンデンサ２１２ａから第１の通電経路２２ａに漸増する充電電流を流す。充電電流が予め設定した上限の電流値になるとスイッチング素子２４ａをオフしてオフ期間に入る。この時、インダクタ２３に発生する逆起電力は第３の寄生ダイオード２４１ｃに対して順バイアスであるから、インダクタ２３に蓄積されたエネルギーにより第３の通電経路２２ｃに漸減するフライホイール電流が流れ、選択されたピエゾスタック１１Ａ〜１１Ｄの充電が進行する。充電電流が下限の電流値（略０）になると再び第１のスイッチング素子２４ａをオンしてオン期間に入り、これを繰り返す（多重スイッチング方式）。そして、ピエゾスタック電圧が目標充電量としての目標電圧に達するとスイッチング素子２４ａをオフに固定し、充電は完了となる。
【００４１】
このようにピエゾスタック１１Ａ〜１１Ｄを充電することで、当該ピエゾスタック１１Ａ〜１１Ｄが伸長して、インジェクタ１が開弁し燃料が噴射される。第２のバッファコンデンサ２１２ｂを給電元とする場合には、第２のスイッチング素子２４ｂのオンオフを繰り返すことで、バッファコンデンサ２１２ｂからピエゾスタック１１Ａ〜１１Ｄに充電される。
【００４２】
また、放電制御時には、第３のスイッチング素子２４ｃをオンオフすることにより、ピエゾスタック１１Ａ〜１１Ｄが放電する。
【００４３】
また、ＤＣ−ＤＣコンバータ２１ａ，２１ｂのスイッチング素子２１１２ａ，２１１２ｂは各気筒の燃料噴射に先立って予めオンオフ作動し、バッファコンデンサ２１２ａ，２１２ｂが充電される。コントローラ２９はバッファコンデンサ２１２ａ，２１２ｂの両端間電圧をモニタして所定の電圧値が得られるようになっている。
【００４４】
コントローラ２９にはＣＰＵ３１から指令信号が入力し、これに基づいて前記スイッチング素子２１１２ａ〜２５Ｆに制御信号を出力する。前記噴射信号はかかる指令信号のひとつであり、噴射信号に基づいてピエゾスタック１１Ａ〜１１Ｄを所定の時期に充電および放電せしめ、噴射時期と噴射量を制御する。噴射信号は、「Ｌ」と「Ｈ」よりなる二値信号であり、その立ち上がりでピエゾスタック１１Ａ〜１１Ｄの充電を開始し、立ち下がりでピエゾスタック１１Ａ〜１１Ｄを放電する。
【００４５】
噴射信号はＣＰＵ３１から２種類入力する。コントローラ２９は、第１の噴射信号の立ち上がりでは、第１のスイッチング素子２４ａに、これをオンオフせしめる制御信号を出力し、第２の噴射信号の立ち上がりでは、第２のスイッチング素子２４ｂに、これをオンオフせしめる制御信号を出力する。すなわち、第１の噴射信号は第１のバッファコンデンサ２１２ａを給電元とするものであり、第２の噴射信号は第２のバッファコンデンサ２１２ｂを給電元とするものである。第１、第２の噴射信号のパターンについては後述する。
【００４６】
また、ＣＰＵ３１からは駆動対象となる気筒を選択するための指令信号も出力され、選択スイッチング素子２５Ａ〜２５Ｆのうち、選択された気筒に対応するピエゾスタック１１Ａ〜１１Ｄのものがオンする。
【００４７】
図３は前記噴射信号とインジェクタ１の噴射率を示すタイミングチャートであり、噴射信号のパターンとともに作動を説明する。順番に１段噴射、２段噴射、３段噴射、４段噴射、５段噴射の場合を示している。１段噴射は、第１の噴射信号に割り当てられる。２段噴射は、１回目の噴射が第１の噴射信号に割り当てられ、２回目の噴射が第２の噴射信号に割り当てられる。３段噴射は、１回目および３回目の噴射が第１の噴射信号に割り当てられ、２回目の噴射が第２の噴射信号に割り当てられる。４段噴射は、１回目、２回目および４回目の噴射が第１の噴射信号に割り当てられ、３回目の噴射が第２の噴射信号に割り当てられる。５段噴射は、２回目、３回目および４回目の噴射が第１の噴射信号に割り当てられ、１回目および５回目の噴射が第２の噴射信号に割り当てられる。
【００４８】
噴射信号がいずれかによって給電元が変わるが、いずれの給電元であっても選択したピエゾスタック１１Ａ〜１１Ｄには所定量の充電がなされるので、噴射率は、単一の直流電源の構成の場合と変わらない。
【００４９】
これにより、アルミニウム電解コンデンサが使用される場合が限定され、アルミニウム電解コンデンサの早期劣化を防止することができる。
【００５０】
また、小さな体格で大容量のアルミニウム電解コンデンサを併用することで、その分、バッファコンデンサ２１２ａ，２１２ｂが占める体積を抑えることができる。ＤＣ−ＤＣコンバータが１つ増設することになるが、ＤＣ−ＤＣコンバータを構成する部品は、コンデンサがその容量とともに比例的に大型化するのに対して、バッファコンデンサに蓄電する容量によって大きく変わらない。したがって、増設されるＤＣ−ＤＣコンバータの体積と、アルミニウム電解コンデンサを併用することによる体積抑制分とを比較すると、アルミニウム電解コンデンサを併用することによる体積抑制分の方がはるかに大きく、ピエゾアクチュエータ駆動回路の全体的な体格を抑えることができる。
【００５１】
これを具体例により簡単に説明すると、多段噴射の場合、ピエゾスタックを所定の伸長量まで駆動する駆動エネルギーは噴射回数に応じて比例的に増大し、２段噴射では１６０ｍＪであり、５段噴射では４００ｍＪである。ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧を１５０Ｖとすると、コンデンサに必要な容量は単純に３６μＦ必要である（１５０（Ｖ）²×１５（μＦ）／２≒１６０ｍＪ）。ここで、１５μＦ／１５０Ｖのフィルムコンデンサの体積は約３０ｃｍ³であり、フィルムコンデンサで５段噴射に対応しようとすると、７２（≒３０（ｃｍ³）×４００／１６０）ｃｍ³占有する。一方、一個の１５μＦ／１５０Ｖのフィルムコンデンサで不足する２１μＦにアルミニウム電解コンデンサを充てるとすれば、アルミニウム電解コンデンサはフィルムコンデンサの３倍以上の容量があるから、アルミニウム電解コンデンサが占有する体積は１０ｃｍ³（≒（７２（ｃｍ³）−３０（ｃｍ³））／３）となる。したがって、バッファコンデンサにアルミニウム電解コンデンサを併用した場合には、フィルムコンデンサのみで構成した場合に比して、バッファコンデンサの占有する体積を３２ｃｍ³（≒（７２（ｃｍ³）−３０（ｃｍ³））−１０ｃｍ³）小さくすることができる。
【００５２】
一方、ＤＣ−ＤＣコンバータの体積はインダクタとなるコイルが５ｃｍ³、スイッチング素子となるトランジスタが０．８ｃｍ³、ダイオードが０．４ｃｍ³であり、すべて足しても約６ｃｍ³である。したがって、バッファコンデンサの体積を、実質的に３６％（≒（３２（ｃｍ³）−６（ｃｍ）³）／７２（ｃｍ³））削減することができる。
【００５３】
なお、各噴射モードにおいていずれの噴射信号を割り当てるかは説明のものに限定されるものではなく、第１のバッファコンデンサと第２のバッファコンデンサの容量割合に応じて適宜設定することができる。また、すべての段数の噴射モードが選択可能になっていなくともよいのは勿論である。
【００５４】
また、噴射信号の選択を次のようにしてもよい。噴射指令における、噴射期間のインターバル、すなわち１つ前の噴射の終了から噴射の開始までの時間間隔を予め設定した所定値と比較して、所定値よりも長ければ第１の噴射信号に割り当てて、給電元がフィルムコンデンサで構成された第１のバッファコンデンサ２１２ａとなるようにし、所定値よりも短ければ第２の噴射信号に割り当てて、給電元がアルミニウム電解コンデンサで構成された第２のバッファコンデンサ２１２ｂとなるようにする。なお、噴射期間のインターバルが所定値よりも短い噴射期間が連続する場合は、後の噴射期間を第１の噴射信号に割り当てる。ここで噴射期間のインターバルの長短を判定する所定値は、同じバッファコンデンサを連続して給電元とすると、バッファコンデンサの充電が後の噴射期間に間に合わなくなる噴射期間のインターバルの長さよりもやや長めに設定する。
【００５５】
これにより、全体的には、噴射期間のインターバルが短くなるエンジン回転数が高い領域では第２のバッファコンデンサ２１２ｂが第１のバッファコンデンサ２１２ａに代わって給電元となる場合がある程度あっても、エンジン回転数が低い領域では第２のバッファコンデンサ２１２ｂが給電元として作動する場合は少なくなる。すなわち、第２のバッファコンデンサ２１２ｂは真に必要な場合のみ給電元として作動する。
【００５６】
（第１実施形態）
図４に本発明の第１実施形態になる燃料噴射装置のピエゾアクチュエータ駆動回路を中心とする構成図を示す。第１参考形態において、直流電源を別の構成に代え、ＣＰＵで実行される制御プログラムを別の設定に代えたものである。図中、第１参考形態と実質的に同じ作動をする部分には第１参考形態と同じ番号を付して説明する。
【００５７】
ピエゾアクチュエータ駆動回路本体２０Ａは、第１のバッファコンデンサ２１２ａの正極と第２のバッファコンデンサ２１２ｂの正極とが接続線路６１により結ばれ、両バッファコンデンサ２１２ａ，２１２ｂが並列接続となっている。接続線路６１には、接続線路６１とともに選択手段６を構成するダイオード６２が設けてある。ダイオード６２の向きは、アノードが第２のバッファコンデンサ２１２ｂの正極と導通するように設定され、第２のバッファコンデンサ２１２ｂは両端間電圧が順バイアスである。
【００５８】
また、通電経路２２ａ，２２ｂを開閉するスイッチング素子２４ａは第１参考形態における第１のスッチング素子２４ａと同じもので、両通電経路２２ａ，２２ｂに共通に設けられている。スイッチング素子２４ａの寄生ダイオード２４１ａはバッファコンデンサ２１２ａ，２１２ｂの両端間電圧が逆バイアスである。
【００５９】
ＣＰＵ３１Ａは基本的な構成は第１参考形態のものと同じで、相違しているのは、単一の噴射信号を出力するように設定されており、コントローラ２９Ａはこの噴射信号の立ち上がりに対応してスイッチング素子２４ａを繰り返しオンオフする点である。また、第２のバッファコンデンサ２１２ｂは充電電圧が第１のバッファコンデンサ２１２ａよりも低めに設定される。
【００６０】
また、第１のバッファコンデンサ２１２ａの容量は、多段噴射を行うのにバッファコンデンサとして必要な容量よりも小さな容量に設定される。
【００６１】
図５は５段噴射を行う場合の前記噴射信号とインジェクタ１の噴射率を示すタイミングチャートである。噴射開始に先立って予め、第１のバッファコンデンサ２１２ａ、第２のバッファコンデンサ２１２ｂがこの順に前記のごとく所定の充電電圧になるまで充電される。
【００６２】
噴射信号の１回目の立ち上がり時に第１のバッファコンデンサ２１２ａからピエゾスタック１１Ａ〜１１Ｄに充電される。ここで、第１のバッファコンデンサ２１２ａの両端間電圧のほうが第２のバッファコンデンサ２１２ｂよりも高く、ダイオード６２は両バッファコンデンサ２１２ａ，２１２ｂの正極間電圧が逆バイアスとなるので接続線路６１には電流が流れず、ピエゾスタック１１Ａ〜１１Ｄの充電は第１のバッファコンデンサ２１２ａを給電元として行われる。ピエゾスタック１１Ａ〜１１Ｄの充電により第１のバッファコンデンサ２１２ａの両端間電圧は低下する。そして、ピエゾスタック１１Ａ〜１１Ｄが充電状態を保持している間、インジェクタ１が開弁し燃料の噴射を行う。
【００６３】
このように順次、噴射信号が立ち上がるごとにピエゾスタック１１Ａ〜１１Ｄが充電されて、２回目以降の噴射が行われる。そして、噴射の回数が進むごとに第１のバッファコンデンサ２１２ａの両端間電圧は低下する。そして、第２のバッファコンデンサ２１２ｂの充電電圧まで低下すると、ピエゾスタック１１Ａ〜１１Ｄの充電時に、ダイオード６２が設けられた接続線路６１を第２のバッファコンデンサ２１２ｂから電流が流れる。すなわち、第２の通電経路２２ｂが第１の通電経路２２ａに重畳的に形成されることになる。第３回目以降の充電が両バッファコンデンサ２１２ａ，２１２ｂを給電元として行われる。両バッファコンデンサ２１２ａ，２１２ｂから充電されるので、各バッファコンデンサ２１２ａ，２１２ｂの給電負担が減じられ、バッファコンデンサ２１２ａ，２１２ｂの両端間電圧はバッファコンデンサ２１２ａのみによる充電時よりも低下幅が小さくなる。
【００６４】
なお、図中、第２のバッファコンデンサ２１２ｂを省略して第１のバッファコンデンサ２１２ａのみをピエゾスタック１１Ａ〜１１Ｄの充電に充てた場合の、第１のバッファコンデンサ２１２ａの両端間電圧の推移を示している（比較例）。前記のごとく、第１のバッファコンデンサ２１２ａの容量は、多段噴射を行うのにバッファコンデンサとして必要な容量よりも小さな容量しかないので、比較例では、４回目以降の充電において、第１のバッファコンデンサ２１２ａの両端間電圧はピエゾスタック１１Ａ〜１１Ｄをインジェクタ１を開弁し得る充電量まで充電することができず、燃料の噴射ができない。すなわち、本実施形態では、バッファコンデンサとして必要な容量のうち、第１のバッファコンデンサ２１２ａで不足する分を第２のバッファコンデンサ２１２ｂが賄っていることになる。したがって、アルミニウム電解コンデンサを用いる分、ピエゾアクチュエータ駆動回路の体格抑制効果を奏する。
【００６５】
本実施形態によれば、第２のバッファコンデンサ２１２ｂは、第１のバッファコンデンサ２１２ａの残量が一定量まで減少して初めて、ピエゾスタック１１Ａ〜１１Ｄに供されるから、アルミニウム電解コンデンサで構成した第２のバッファコンデンサ２１２ｂが給電元となる場合が限定され、アルミニウム電解コンデンサの早期劣化を防止することができる。
【００６６】
しかも、第１のバッファコンデンサ２１２ａの残量が減少してくると、自動で第２のバッファコンデンサ２１２ｂから補充されるので、通電経路２２ａ，２２ｂを開閉するスイッチング素子２４ａがひとつで済み、制御負担が減じられるとともに、制御信号用の配線が不要になるので、構成が簡単になる。
【００６７】
なお、前記各実施形態のピエゾアクチュエータは燃料噴射装置に適用したものを示したが、他のピエゾアクチュエータを用いる装置に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１参考形態となるピエゾアクチュエータ駆動回路の回路図である。
【図２】前記ピエゾアクチュエータ駆動回路を含み構成された本発明に適用可能な燃料噴射装置の全体構成図である。
【図３】前記ピエゾアクチュエータ駆動回路および燃料噴射装置の作動を説明するタイミングチャートである。
【図４】本発明を適用した第１実施形態となるピエゾアクチュエータ駆動回路の回路図である。
【図５】前記ピエゾアクチュエータ駆動回路および該ピエゾアクチュエータ駆動回路を含み構成された本発明の別の燃料噴射装置の作動を説明するタイミングチャートである。
【図６】コンデンサの構造を示す分解斜視図である。
【図７】別の種類のコンデンサの構造を示す分解斜視図である。
【図８】前記コンデンサの拡大断面図である。
【符号の説明】
１インジェクタ
１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄピエゾスタック
２ピエゾアクチュエータ駆動回路
２０ピエゾアクチュエータ駆動回路本体（充電回路部）
２１２ａ，２１２ｂバッファコンデンサ
２４ａ，２４ｂスイッチング素子（スイッチ手段、選択手段）
３１ＣＰＵ（制御手段）
３１，３１ＡＣＰＵ
６選択手段
６１接続線路
６２ダイオード

Claims

ピエゾスタックの充電に先立って充電されてピエゾスタックの充電用の電気エネルギーを一時、保持するバッファコンデンサを有し、該バッファコンデンサから充電用の回路を介してピエゾスタックに充電するピエゾアクチュエータ駆動回路において、
フィルムコンデンサで構成された第１のバッファコンデンサと、
アルミニウム電解コンデンサで構成された第２のバッファコンデンサと、
充電用回路の給電元を前記バッファコンデンサから選択する選択手段とを具備し、前記選択手段を、
前記第１、第２のバッファコンデンサを並列に接続する接続線路と、
該接続線路に設けられたダイオードとで構成し、
該ダイオードの向きを、第２のバッファコンデンサの両端間電圧が順バイアスとなるように設定し、
かつ、１回の充電で保持されるバッファコンデンサの電気エネルギーを、第１のバッファコンデンサの両端間電圧が第２のバッファコンデンサの両端間電圧よりも高くなるように設定したことを特徴とするピエゾアクチュエータ駆動回路。
ピエゾアクチュエータにより開閉して燃料の噴射と停止とが切り換わるインジェクタと、前記ピエゾアクチュエータを駆動する請求項１記載のピエゾアクチュエータ駆動回路とを具備することを特徴とする燃料噴射装置。